生產(chǎn)工藝對(duì)光纖質(zhì)量的影響

陳嘉鷺，施國(guó)棋，查健江

（山東鑫茂光通信科技有限公司，濟(jì)南　250031）

1　光纖發(fā)展歷史

光纖由于具有帶寬、衰減等優(yōu)點(diǎn)，在互聯(lián)網(wǎng)、信息網(wǎng)絡(luò)、用戶等網(wǎng)絡(luò)中得到了廣泛的應(yīng)用。絕大多數(shù)信息網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)都是通過(guò)光纜傳輸?shù)模F(xiàn)階段光纖已經(jīng)成為世界上最重要的傳輸介質(zhì)。發(fā)展我國(guó)光纖光纜產(chǎn)業(yè)對(duì)我國(guó)信息化建設(shè)具有重要意義。我國(guó)光纖光纜行業(yè)的發(fā)展歷史已經(jīng)近40年，在經(jīng)歷了光纖光纜行業(yè)的繁榮和低迷時(shí)期之后，近年來(lái)有爆炸式增長(zhǎng)的趨勢(shì)。然而，在光纖光纜行業(yè)發(fā)展過(guò)程中，市場(chǎng)需求、關(guān)鍵環(huán)節(jié)、產(chǎn)品質(zhì)量和國(guó)際市場(chǎng)等方面存在一些問(wèn)題，嚴(yán)重阻礙了光纖光纜行業(yè)的發(fā)展。研究生產(chǎn)工藝對(duì)光纖性能的影響，不僅可以直接提高我國(guó)光纖生產(chǎn)的質(zhì)量，而且對(duì)我國(guó)新時(shí)期的信息技術(shù)建設(shè)具有直接的現(xiàn)實(shí)意義。

1.1　光纖產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)特點(diǎn)

第一，發(fā)展迅速。我國(guó)開(kāi)始逐步走向5G時(shí)代，光纖行業(yè)的市場(chǎng)潛力巨大，市場(chǎng)需求大大提高。在這種情況下，我國(guó)積極加大對(duì)光纖光纜行業(yè)的投資，提高光纖光纜行業(yè)的生產(chǎn)能力。

第二，產(chǎn)品質(zhì)量難以滿足市場(chǎng)需求。我國(guó)光纖光纜企業(yè)數(shù)量眾多，生產(chǎn)廠家眾多。但是，各企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模不大，光纖技術(shù)含量低，難以滿足光纖光纜行業(yè)的市場(chǎng)需求。

第三，市場(chǎng)高度集中。我國(guó)光纖光纜制造商主要集中在長(zhǎng)三角地區(qū)，區(qū)域分布不均勻。

第四，價(jià)格下降。在國(guó)際發(fā)展的大背景下，國(guó)外光纖光纜廠商嚴(yán)重?cái)D壓了國(guó)內(nèi)廠商的利潤(rùn)空間，導(dǎo)致國(guó)內(nèi)光纖光纜價(jià)格嚴(yán)重下滑。

第五，生產(chǎn)受到限制。我國(guó)國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的光纖光纜技術(shù)含量低，產(chǎn)品質(zhì)量不高，生產(chǎn)的產(chǎn)品以購(gòu)買預(yù)制棒為主，生產(chǎn)預(yù)制棒為輔，利潤(rùn)少，缺乏預(yù)制棒制造技術(shù)，生產(chǎn)受到技術(shù)的限制。

1.2　產(chǎn)業(yè)鏈缺陷

我國(guó)光纖光纜生產(chǎn)技術(shù)不斷提高，光纖光纜產(chǎn)品的質(zhì)量也得到了用戶的認(rèn)可。而且在設(shè)備和材料方面我國(guó)已經(jīng)形成完整的光纖光纜生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)鏈，然而我國(guó)預(yù)制棒技術(shù)與國(guó)際水平還有很大的差距，光纖預(yù)制棒的制造利潤(rùn)很高，只有熟悉先進(jìn)的預(yù)制棒技術(shù)才能提高經(jīng)濟(jì)效益目前預(yù)制棒技術(shù)已成為我國(guó)光纖光纜工業(yè)發(fā)展的最大障礙。

1.3　產(chǎn)品質(zhì)量

我國(guó)光纖光纜用戶集中在中國(guó)聯(lián)通、中國(guó)移動(dòng)和中國(guó)電信這三家運(yùn)營(yíng)商。由于光纖和電纜客戶的高度集中，光纖光纜產(chǎn)品的輻射面很窄。此外，隨著中國(guó)聯(lián)通、中國(guó)移動(dòng)和中國(guó)電信等三大運(yùn)營(yíng)商在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中改變了購(gòu)買光纜產(chǎn)品的方式。為實(shí)現(xiàn)光纜生產(chǎn)廠家的投標(biāo)，采取低價(jià)手段。在這種情況下，光纜制造商只能以低廉的價(jià)格銷售光纜產(chǎn)品。低成本銷售將導(dǎo)致光纖光纜廠家使用劣質(zhì)原材料，使光纖光纜產(chǎn)品存在嚴(yán)重的質(zhì)量問(wèn)題。

2　光纖拉絲工藝

拉絲是光纖生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié)。目前，高速拉絲機(jī)已用于拉絲生產(chǎn)，生產(chǎn)速度可達(dá)2400 m/min。在高速拉絲過(guò)程中，光纖的質(zhì)量受多種因素的影響。盡量提高生產(chǎn)設(shè)備的精度可以更好地確保光纖的質(zhì)量。光纖拉絲是將光纖預(yù)制棒在高溫下熔化，在拉力作用下拉成光纖。

2.1　預(yù)制棒加熱

電磁感應(yīng)爐通過(guò)電磁感應(yīng)加熱內(nèi)部的石墨加熱元件，加熱預(yù)制棒，使預(yù)制棒在拉絲過(guò)程中的溫度達(dá)到2000-2250℃。為了防止加熱過(guò)程中石墨件氧化，向電磁感應(yīng)爐中通入氬氣、氦氣進(jìn)行保護(hù)，氬氣、氦氣流量由流量控制器控制，以保證爐內(nèi)氣場(chǎng)的穩(wěn)定性，從而保證光纖直徑的穩(wěn)定。

由于光纖屬于一種SiO2基玻璃，其粘度、溫度關(guān)系類似于玻璃。在非常高的溫度下，光纖不再易碎，而是隨著溫度逐漸軟化，其粘度降低。由于裸纖自身的的重力和粘度，預(yù)制棒在加熱區(qū)中的下端開(kāi)始下墜，并且預(yù)制棒軟化的下端逐漸被拉細(xì)成絲。電磁感應(yīng)爐下方設(shè)有退火管，退火管主要用于控制光纖的冷卻溫度，以保證光纖的強(qiáng)度，從而提高光纖的光學(xué)性能和機(jī)械性能。

2.2　光纖冷卻

裸纖從出爐口到涂覆之前需要充分的冷卻，特別是在高速拉絲的情況下，因?yàn)槔z速度達(dá)到2400 m/min或更高，所以必須縮短冷卻光纖所需的時(shí)間。冷卻管中目前使用具有良好導(dǎo)熱性的氦氣。雖然氫氣的熱導(dǎo)率為0.163W（m·C）優(yōu)于氦氣的熱導(dǎo)率0.144W（m·C），但是氦氣仍是目前已知的穩(wěn)定性和安全性最合適的導(dǎo)熱氣體。如果要在今后的生產(chǎn)過(guò)程中再次加快拉絲速度，那么有兩點(diǎn)可以解決這個(gè)問(wèn)題：

（1）延長(zhǎng)爐口到光纖涂覆系統(tǒng)的距離。提高拉絲塔的高度，延長(zhǎng)光纖下墜的距離能夠使光纖能夠得到充分的冷卻。這一點(diǎn)在理論上完全是行得通的，然而在實(shí)際情況中我們并不可能把拉絲塔的高度提得太高。因?yàn)槭紫仍诔杀旧蠒?huì)有提高，其次在實(shí)際操作中也會(huì)帶來(lái)極大的不便。

（2）降低冷卻管內(nèi)冷卻液體的溫度。目前冷卻管內(nèi)使用的冷卻水都是經(jīng)過(guò)冷卻機(jī)冷卻的純水。降低冷卻水的溫度、更換冷卻水種類，使用液氮或者其他液體可以使得光纖在通過(guò)冷卻管的時(shí)候能夠迅速降溫。這樣不僅可以便于大幅度提高拉絲速度還可以降低拉絲塔的高度。但是也存在一定的問(wèn)題，循環(huán)冷卻水的溫度降低會(huì)造成冷卻管表面因內(nèi)外溫差而產(chǎn)生凝露。凝露在管外的形成、下滑，會(huì)影響到光纖的正常生產(chǎn)。解決這個(gè)問(wèn)題，就可以大幅度提高拉絲生產(chǎn)速度、降低生產(chǎn)成本。

2.3　光纖涂覆和固化

裸纖溫度冷卻至50℃左右，光纖涂覆時(shí)，將涂料罐預(yù)熱后的涂料在壓縮空氣的作用下壓入涂杯內(nèi)，涂杯內(nèi)預(yù)先充入CO2，并在生產(chǎn)中用恒壓（0.6MPa）把CO2充入涂杯內(nèi)，可使涂料更好地附著在裸光纖表面。為了保證涂料涂覆在最佳溫度下進(jìn)行，涂料桶、涂料管道、涂料杯本身在光纖生產(chǎn)過(guò)程中采用循環(huán)水加熱，涂覆溫度基本穩(wěn)定在45℃。

光纖的涂覆將通過(guò)UV固化爐，在UV固化爐中，氧氣的存在將降低光纖涂料的固化程度，因此需要將中心管通入氮?dú)饣蚱渌栊詺怏w來(lái)消除大部分氧氣。在UV紫外光照射下，丙烯酸酯涂料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)固化。

經(jīng)過(guò)兩次涂覆、固化處理后，裸纖的外表面被涂覆上兩層主要材料為丙烯酸環(huán)氧樹(shù)脂的保護(hù)層，以保護(hù)光纖不受外界作用和吸收誘發(fā)微變的剪切應(yīng)力。

2.4　光纖篩選和測(cè)試

將生產(chǎn)出的大盤光纖放在復(fù)繞機(jī)上進(jìn)行篩選，去除強(qiáng)度不夠的光纖。在整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中，還需要裸纖絲經(jīng)儀、涂層絲徑儀等，對(duì)光纖生產(chǎn)過(guò)程中的質(zhì)量進(jìn)行分析并加以控制。

3　光纖強(qiáng)度的改善

SiO2基玻璃在常溫下是一種脆性材料，其強(qiáng)度在很大程度上取決于表面結(jié)構(gòu)。裸纖的表面可能具有許多肉眼看不見(jiàn)的微裂紋。微裂紋尺寸越大，光纖的抗拉強(qiáng)度越差。在拉絲過(guò)程中，在拉伸應(yīng)力的作用下，這些微裂紋開(kāi)始橫向擴(kuò)展，然后擴(kuò)展到整個(gè)截面，導(dǎo)致光纖斷裂。因此，如果能夠消除這些表面裂紋，則抗拉強(qiáng)度能夠顯著提高。

3.1　預(yù)制棒表面處理

預(yù)制棒表面若未經(jīng)過(guò)處理，很容易因?yàn)槠浔砻嫒毕荩诡A(yù)制棒在拉絲過(guò)程中或光纖在篩選中發(fā)生斷裂。所以在拉絲前會(huì)用氫氟酸與濃硝酸的混合溶液對(duì)預(yù)制棒進(jìn)行酸洗。

3.2　改善生產(chǎn)環(huán)境

在整個(gè)拉絲過(guò)程中，灰塵、顆粒等雜質(zhì)的存在將嚴(yán)重影響光纖強(qiáng)度，顆粒可能由不干凈的拉絲爐、涂覆前的光纖通道處引入。所以拉絲車間的潔凈度要保持好，拉絲前的擦拭等準(zhǔn)備工作要做充分。

4　光纖幾何參數(shù)的控制

由PLC控制的光纖拉絲機(jī)可以精確控制光纖直徑，經(jīng)過(guò)涂覆的光纖，繞到收線機(jī)上時(shí)，其收線機(jī)的速度與預(yù)制棒的下棒速度之間的關(guān)系如下：

式中，R1為預(yù)制棒半徑；R2為裸纖包層半徑；V1為預(yù)制棒下棒速度；V2為收線機(jī)收線速度。如已知預(yù)制棒的半徑，設(shè)備就可根據(jù)公式調(diào)整預(yù)制棒下棒速度以及收線機(jī)的收線速度，從而能夠得到穩(wěn)定的光纖包層半徑。

表1顯示在公司日常生產(chǎn)過(guò)程中不同速度下測(cè)得的光纖幾何參數(shù)，其中包層不圓度，芯包同心度誤差等參數(shù)在很大程度上受到預(yù)制棒制造工藝的影響。

表1　不同拉絲速度下的光纖幾何參數(shù)

從表1中可以看出，在不同拉絲情況下，所生產(chǎn)的光纖幾何參數(shù)都比較穩(wěn)定，均能符合甚至優(yōu)于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)及我公司技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

4.1　冷卻管介質(zhì)氣體對(duì)涂層直徑的影響

在光纖拉絲生產(chǎn)中，拉絲速度的提高會(huì)使得光纖在冷卻管中滯留的時(shí)間縮短，冷卻不充分。其結(jié)果是較高溫度光纖使其周圍涂料的粘度降低，內(nèi)涂層厚度變薄。

在高速拉絲條件下，為了使內(nèi)涂層直徑控制在要求范圍內(nèi)，通常采用的解決方法：一是增加冷卻管長(zhǎng)度；二是加大氦氣流量。增加冷卻管長(zhǎng)度可以延長(zhǎng)光纖在冷卻管內(nèi)的滯留時(shí)間，使光纖冷卻更充分，但是這種方法需要增加拉絲塔高度，相應(yīng)的廠房等設(shè)施的高度也都要增加，從而導(dǎo)致成本大幅提高。加大氦氣流量，可以增加氦氣在冷卻管介質(zhì)氣體中的比例，同時(shí)增加氦氣的密度，從而增加了冷卻管介質(zhì)氣體的實(shí)際導(dǎo)熱系數(shù)，提高冷卻效果。

圖1顯示了拉絲速度對(duì)內(nèi)涂層直徑的影響：在冷卻管內(nèi)氦氣流量不變的情況下，將拉絲速度從1400m/min逐步提高到2000m/min，內(nèi)涂層直徑不斷降低，而且速度越高，下降幅度越大。

圖1　拉絲速度對(duì)內(nèi)涂層直徑的影響

圖2顯示了不同拉絲速度下氦氣流量對(duì)內(nèi)涂層直徑的影響：在相同的拉絲速度下，加大氦氣流量會(huì)使得內(nèi)涂層直徑逐漸增大，如：在1600m/min的拉絲速度下，氦氣流量為4L時(shí)，內(nèi)涂層直徑為189.7um，而當(dāng)氦氣加大到8L時(shí)，內(nèi)涂層直徑則增大到192.7um；不同的拉絲速度其氦氣流量的增加對(duì)內(nèi)涂層直徑的影響幅度不同，速度越高影響更為明顯。

圖2　氦氣流量對(duì)內(nèi)涂層直徑的影響

由于氦氣價(jià)格昂貴，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中由拉絲速度提高所獲得的經(jīng)濟(jì)效益，通常會(huì)因?yàn)楹庀脑黾佣兴陆怠Ｒ虼耍ㄟ^(guò)設(shè)備和工藝優(yōu)化降低冷卻管中的氦氣消耗量成為降低光纖成本的有效方式之一。

4.2　涂覆方式對(duì)涂層直徑的影響

內(nèi)涂層直徑的大小除了與冷卻管的冷卻效果有關(guān)外，還受涂覆模具的孔徑和涂覆系統(tǒng)的工藝參數(shù)等因素的影響。本實(shí)驗(yàn)中使用的內(nèi)涂模具孔徑為220um，涂覆工藝參數(shù)主要包括模具內(nèi)涂料溫度、涂覆壓力等。

4.2.1模具涂料溫度對(duì)內(nèi)涂層直徑的影響

涂料粘度一般隨著溫度的升高而降低。當(dāng)涂覆模具的溫度升高時(shí)，模具內(nèi)涂料的粘度就會(huì)隨之降低，從而使從模具涂料進(jìn)口到裸光纖之間的涂料壓阻降低，這樣會(huì)使更多的涂料達(dá)到光纖附近并隨光纖從下模具口擠出，其結(jié)果是涂層直徑增加。

圖3為不同拉絲速度下，內(nèi)涂層直徑與模具涂料溫度的之間關(guān)系曲線。圖5中光纖的內(nèi)涂層直徑隨模具內(nèi)涂料溫度的增加而增加，當(dāng)拉絲速度逐漸增加時(shí)，涂料溫度對(duì)內(nèi)涂層直徑的影響越來(lái)越小。當(dāng)拉絲速度提升到2000m/min時(shí)，涂料溫度變化20℃，內(nèi)涂層直徑變化約1um。在高速拉絲條件下，裸光纖附近非常薄的區(qū)域內(nèi)的涂料會(huì)因?yàn)椤凹羟凶兿　毙?yīng)使得其粘度急劇降低，這樣使裸光纖和附近區(qū)域的涂料產(chǎn)生“打滑”現(xiàn)象，被裸光纖帶出模具下口的涂料會(huì)減少。因此，高速拉絲條件下溫度對(duì)內(nèi)涂層直徑的影響降低。

圖3　內(nèi)涂層直徑隨模具涂料溫度的變化

4.2.2涂覆壓力對(duì)內(nèi)涂層直徑的影響

提高涂覆模具內(nèi)的涂料壓力，理論上從兩方面可以使涂層直徑增加：（1）涂料壓力增加會(huì)使模具入模口處的涂料彎液面上升，從而提高了光纖在模具內(nèi)的有效涂覆距離；（2）高的涂料壓力可以使更多的涂料被壓送到裸光纖附近并被帶出下模具口。

圖4給出了內(nèi)涂層直徑與涂覆壓力之間的關(guān)系曲線，從中可以看出在相同的拉絲速度下，內(nèi)涂層直徑隨涂覆壓力的增加，呈現(xiàn)出小幅增大的趨勢(shì)。不同速度下內(nèi)涂層直徑隨壓力的變化幅度差異不大。

圖4　內(nèi)涂層直徑隨涂覆壓力的變化

5　結(jié)束語(yǔ)

本文簡(jiǎn)單闡述了光纖光纜的發(fā)展史，并主要研究了光纖具體生產(chǎn)過(guò)程中的工藝控制過(guò)程對(duì)于所生產(chǎn)光纖幾何性能及其強(qiáng)度的影響，主要是為了在相同情況下能夠在生產(chǎn)工藝上進(jìn)一步提高光纖質(zhì)量。在研究理論的同時(shí)，在公司的具體生產(chǎn)過(guò)程中進(jìn)行了一系列有關(guān)實(shí)驗(yàn)，提出了有關(guān)問(wèn)題的想法及具體解決方案。

[1]林宗壽.無(wú)機(jī)非金屬材料工學(xué).武漢：武漢工業(yè)大學(xué)出版社.